飛兆案例：功率器件提高電機設計的效率水平

創(chuàng)新解決辦法：智能功率模塊

智能功率模塊(SPM?)是微控制器或DSP與電機之間的功率接口，能夠減小電機體積并簡化設計。這種模塊較之于分立式解決方案的優(yōu)勢在于其寄生電感更小，可靠性也更高。這是因為模塊內(nèi)的所有功率器件都采用了同批次芯片(sister dice)，故具有一致的測試性能。這種智能功率模塊可與微控制器低電壓TTL或CMOS輸出直接接口，并附加了保護電路。模塊內(nèi)置有監(jiān)視結(jié)溫的熱敏電阻器，防止上下橋臂直通的邏輯保護電路，死區(qū)時間 (dead-time) 控制，以及用于最大限度減少EMI等的驅(qū)動波形整形電路。在模塊中，每個驅(qū)動IC均可進行優(yōu)化，使其能以最小的EMI和驅(qū)動損耗來完成功率器件的開關動作。三相驅(qū)動模塊將繼續(xù)在電器產(chǎn)品廣泛應用。如圖5 所示， 為馬達控制使用SPM 的典型應用電路。

圖4：典型的應用電路

圖5所示為采用Mini-DIP 封裝的Motion-SPM? 智能功率模塊的照片和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意。Motion-SPM 是一款超小型功率模塊，將功率部件、上下橋臂柵極驅(qū)動器和保護電路全部集成在一個雙列直插式移模封裝件中，用于AC100 ~ 220V 等級低功耗電機驅(qū)動變頻控制。

圖5：Motion-SPM?外型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

智能功率模塊經(jīng)設計，能夠?qū)崿F(xiàn)最大的設計靈活性，可用于不同的輸出電壓和功率范圍。

高壓 (600V) 橋式驅(qū)動技術(shù)的時代來臨

能夠?qū)崿F(xiàn)小型的低成本模塊以變革電機驅(qū)動電路的發(fā)展趨勢，就是 (600V) 高壓橋式驅(qū)動技術(shù)時代的來臨?，F(xiàn)代的高壓橋柵極驅(qū)動電路都經(jīng)過仔細設計，能夠降低高壓IC芯片工藝固有的寄生漏極電容。這樣，驅(qū)動電路就很堅固，足以承受超過 -9V的負壓。電源電壓上的正負尖峰電壓不會造成驅(qū)動電路發(fā)生閂鎖和柵級控制失效，這是最近10年來柵極驅(qū)動電路的一大變化。匹配傳輸延遲也小于50ns，這可使開關頻率達到100kHz或150kHz。IC 內(nèi)增加的共模dV/dt噪聲消除電路也有助于降低發(fā)生假性導通的可能性，而這也有助于使功率電路更加堅固，同時由于省去附加的濾波部件，電路也因而更加緊湊。現(xiàn)代的IC (如FAN7382 和FAN7384) 靜態(tài)電流更小、工作溫度更低，因此可靠性也更高。系統(tǒng)功率板空間和成本的減小是模塊化技術(shù)的一大優(yōu)勢體現(xiàn)，它將上一代電機驅(qū)動電路中常見的4個電源以及微控制器PC 板與功率開關 PC 板間的光電耦合電路一并取代。

IGBTs – NPT 型與 PT型比較

二十年來，電機驅(qū)動一直都選用IGBT作為功率開關器件，通過設計，IGBT能夠針對某一開關頻率最大限度地降低損耗。對電機驅(qū)動行業(yè)來說，這意味著存在瞄準不同頻率范圍的IGBT系列，有針對某些消費電子產(chǎn)品電機的5kHz開關，針對許多任務業(yè)用電機應用的20kHz開關，甚至有針對電機驅(qū)動以外應用的更高頻率的開關。

IGBT 技術(shù)的改進 (如導通電壓和每個開關周期的關閉功耗) 也進一步提高了可靠性，并降低了模塊成本。在最近5年中，常規(guī)IGBT在功能方面獲得巨大的改進，新的非穿通型 (NPT) IGBT 也在大規(guī)模應用。

NPT IGBT雖然看起來類似傳統(tǒng)的穿通型 (PT) IGBT，但制造方法卻大不相同。與MOSFET或傳統(tǒng)IGBT不同，于硅片制作過程中， NPT IGBT采用P型區(qū)和背面金屬區(qū)。

NPT IGBT的導通電壓 [VCE(SAT)] 通常低于傳統(tǒng)IGBT，或者說導通速度慢一些，但它們通常更堅固，承受短路或過流的時間顯著加長。這使其在電機控制應用中得到青睞。而且，如果查看這兩種IGBT的開關波形就會發(fā)現(xiàn)，NPT IGBT產(chǎn)生的EMI比PT IGBT的低得多。NPT IGBT開關脈沖的下沿基本上是一個單純的斜坡，而傳統(tǒng)IGBT的卻是一段dI/dt很高的區(qū)域，后接一段電流下降速率很慢的長尾，且器件的損耗高。在高dI/dt區(qū)域，傳統(tǒng)IGBT產(chǎn)生的EMI大，一般都會影響驅(qū)動電路，常常需要將功率開關與驅(qū)動電路進行隔離。NPT IGBT的另一個優(yōu)點是可與VCE(SAT) 形成正溫度系數(shù)關系，這一特點對IGBT并聯(lián)應用非常有用。

飛兆半導體的低導通阻抗600VSuperFET? MOSFET系列產(chǎn)品特別采用DPAK (TO-252) 封裝，能滿足用于運動控制應用的最新超纖巧與薄型器件的要求。為了最大限度地降低開關和導通損耗，以滿足某些高開關頻率電機控制設計的系統(tǒng)效率要求，這些產(chǎn)品的導通阻抗降低至傳統(tǒng)平面MOSFET的三分之一 (0.6 ~ 1.2 Ohms)。而且，這些產(chǎn)品還能承受高速電壓 (dv/dt) 和電流 (di/dt) 瞬變，使系統(tǒng)能在高開關頻率下可靠地工作。

近來，市場對節(jié)能家用電器的需求一直強勁。在家用電器中，一臺電冰箱占據(jù)家庭10% 以上的耗電。由于電冰箱壓縮機主要工作在低速下，因此，改進低速下的電機驅(qū)動效率，就有巨大的節(jié)能潛力。為達到這一目的，飛兆半導體基于電冰箱和空調(diào)的正弦變頻器，針對無刷直流電機開發(fā)了相應的解決方案。新的電機驅(qū)動技術(shù)針對高、低速壓縮機電機，能夠進一步提高總體驅(qū)動效率。

據(jù)估計，工業(yè)電能中有65% 被電機所消耗，難怪業(yè)界的主要企業(yè)均越來越重視節(jié)能，將其視為提高利潤和競爭力的關鍵。而答案之一就是節(jié)能，尤其是電機的能耗。這主要有兩種方法，即采用變頻調(diào)速驅(qū)動方案高效控制電機的工作速度，實時反饋電機運行狀態(tài)等參數(shù)，以及提高電機本身的效率和性能，因為可變速驅(qū)動在提高性能的同時，還可節(jié)能又可提高生產(chǎn)率。